Lors de la mise au point de biocapteurs, le contrôle de l'état de surface sur laquelle sontimmobilisées les biomolécules est un paramètre crucial pour la fiabilité et la reproductibilité desmesures. Pour ce travail de Thèse, deux objectifs principaux ont été fixés :- obtenir de façon reproductible des films organiques fonctionnels capables de rendre lessurfaces inorganiques biocompatibles afin d'immobiliser des biomolécules sans les dénaturer.- se doter d'outils innovants afin d'analyser la distribution de biomolécules sur la surface etd'évaluer leur activité biologique à l'échelle de la molécule unique.L'immobilisation a été réalisée sur des SAMs terminées par une fonction acide carboxylique.Pour imager les surfaces nous avons choisi la Microscopie Atomique de Force (AFM) qui permetd'obtenir des informations à l'échelle nanométrique et de mesurer des interactions moléculaires del'ordre du piconewton (10-12 N).Des CNTs, générés par dépôt chimique en phase vapeur, sont fixés sur une pointe AFM. Puis Ilssont biofonctionnalisés selon un protocole de trempage original afin d'obtenir une modificationchimique sélective de leur apex. Les interactions entre un récepteur, immobilisé sur la surface, et sonligand, lié de façon covalente au CNT, sont mesurées à l'échelle de la molécule unique. / During the development of biosensors, control of the surface on which the biomolecules areimmobilized is a crucial parameter for the reliability and reproducibility of the measurements. For thisPhD work, two main objectives were set:- obtain in a reproducible way functional organic films able to make inorganic surfacebiocompatible for the immobilization of biomolecules without any denaturation.- develop innovative tools in order to analyze the distribution of biomolecules on the surface etevaluate their biological activity at single molecule scaleThe immobilization step was done on SAMs terminated by a carboxylic acid function.In order to image surfaces, Atomic Force Microscopy (AFM) was chosen. This technique permits toobtain information at nanometric scale and to measure molecular interactions in the range ofpiconewton forces (10-12 N).MWCNTs were linked to a commercial AFM tip by micro-welding under optical microscopy. CNTswere biofunctionalized at the nanotube apex by an original dipping procedure.The interactions between a ligand, immobilized on the surface, and a receptor covalently linked to aCNT have been characterized.

Les cryptophanes sont des molécules sphériques pouvant encapsuler dans leur cavité lipophile des molécules neutres (halogénométhanes, xénon) mais aussi des espèces ioniques comme les cations césium et thallium. Notre objectif a été d’immobiliser ces cages moléculaires de manière covalente sur un support solide dans le but de créer un matériau capable d’extraire des cations toxiques comme le thallium en milieu aqueux. Différentes stratégies ont été envisagées pour optimiser l’immobilisation de dérivés du cryptophane-A sur des surfaces de silice et d’or (surfaces planes et nanoparticules magnétiques de type coeur-écorce). Les cryptophanes-A mono-acide (1) et hexa-acide(2) ont été immobilisés sur des surfaces de silice préalablement fonctionnalisées par des groupements amines. Le cryptophane-A alcanethiol (3), ainsi que les cryptophanes 1 et 2 modifiés par lacystéamine (respectivement 4 et 5) ont été immobilisés sur des surfaces d’or. La caractérisation des surfaces planes par spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation(PM-IRRAS) a permis d’estimer le taux de recouvrement des différentes monocouches de cryptophanes et, ainsi, d’évaluer la méthode d’immobilisation la plus efficace. Un taux de recouvrement proche de 100% a été obtenu pour le cryptophanes 3 immobilisé sur les surfaces d’or.Ce composé a également été immobilisé de façon très efficace sur des nanoparticules magnétiques(γ-Fe2O3/SiO2) enrobées d’une nano-écorce d’or. Ces résultats permettent d’envisager la synthèse d’un cryptophane portant cinq fonctions hydroxyles et une fonction thiol afin de créer des matériaux capables d’extraire des cations toxiques. / Cryptophanes are spherical molecules that can encapsulate neutral molecules(halogenomethanes, xenon), and ionic species like cesium and thallium cations in their lipophiliccavity. Our objective was to covalently immobilize these molecular cages onto solid substrates tocreate a material able to extract toxic cations such as thallium in aqueous media. Different strategieswere considered to optimize the immobilization of cryptophane-A derivatives onto silica and goldsurfaces (flat surfaces and core-shell magnetic nanoparticles). Mono-acid cryptophane-A (1) andhexa-acid cryptophane-A (2) were immobilized onto silica surfaces that were functionalized by aminogroups beforehand. Alcanethiols cryptophane-A (3), 1 and 2 modified by cysteamine (cryptophanes 4and 5 ,respectively) were immobilized onto gold surfaces. Flat surfaces were characterized bypolarization modulation infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS) to estimate thesurface coverage of different cryptophane monolayers and to evaluate the most effective method. Asurface coverage close to 100% was obtained for the cryptophane 3 immobilized onto gold surfaces.This compound has been also immobilized efficiently onto magnetic nanoparticles (γ-Fe2O3/SiO2)coated with gold nano-shell. These results allow to consider the synthesis of cryptophane bearing fivehydroxyl and one thiol functions to create materials able to extract toxic cations

Le contrôle des propriétés physicochimiques et de l’état de surface des solides constituent un enjeu majeur pour le développement des biotechnologies, et notamment des bio-capteurs. Pour des applications en analyse et diagnostic biologique, la fonctionnalisation des surfaces à base de silicium peut être réalisée grâce à la formation d’un nano-film organique appelé SAM (Self-Assembled Monolayer). L'objectif de ce travail de thèse est ainsi de synthétiser des monocouches sur des substrats de silice afin de les rendre biofonctionnels en vue de développer une plateforme de biodétection polyvalente.Pour ce faire, deux types d'agents de couplages ont été envisagés : l'un possédant un motif azoture et l'autre une biotine. L’obtention de ces deux types de molécules a fait l’objet d’un travail de synthèse permettant d’aboutir à de nouveaux organosilanes fonctionnels directement greffables sur des surfaces de SiO2. La biofonctionnalité est introduite sur le substrat par la biotine, soit directement lors de la formation de la SAM, soit par chimie click sur les monocouches fonctionnalisées par des azotures.Les différentes surfaces obtenues ont ensuite été caractérisées par Spectroscopie Infrarouge de Réflexion–Absorption par Modulation de Polarisation (PM-IRRAS) et par Microscopie de Force Atomique (AFM). La bioactivité des SAMs biotinylées a enfin été évaluée par un protocole mettant en jeu une streptavidine modifiée par une enzyme (la HRP) capable de catalyser des réactions d’oxydoréduction de molécules chromogènes. / Control of surface physicochemical properties is a key aspect for the development of many biotechnological tools, such as biosensors. For analysis and diagnostic, the functionalization of silica-based surfaces may be carried out through the creation of an organic nano-film named a Self-Assembled Monolayer (SAM). The main goal of this PhD work is thus to synthesize monolayer on SiO2 substrates in order give them biofunctionality, aiming at developing a versatile biodetection platform.In order to do so, we focused on the synthesis of two types of coupling agents, either bearing an azide moiety or a biotin. This organic synthesis work led to two new sorts of functional organosilanes which can be directly grafted onto silica surfaces. Biofunctionality itself is introduced by the biotin, either through the formation of the monolayer or through click chemistry on azide-functionalized SAMs.Said surfaces were then fully characterized using Polarization Modulation Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy (PM-IRRAS) an Atomic Force Microscopy (AFM). Bioactivity of biotinylated surfaces was then monitored using streptavidin conjugated with HRP in order to catalyze the redox reaction of chromogenic substrates.

Il existe une très forte demande en biocapteurs pour la détection d’agents pathogènes dans le domaine environnemental et médical. Dans ce contexte, le contrôle de l’état de surface des biocapteurs joue un rôle crucial. Les monocouches auto-assemblées (Self-Assembled Monolayers, SAMs) permettent de fonctionnaliser de manière homogène et reproductible ces surfaces. Ces SAMs sont généralement obtenues à partir d’agents de couplage siliciés à longue chaîne alkyle. Mais, ces composés sont souvent difficiles à synthétiser et à purifier en raison de leurs faibles solubilités dans les solvants organiques. C’est pour cela que nous avons proposé d’introduire une fonction polaire (amide ou urée) au sein de ces films. Ces fonctions permettent également un auto-assemblage des molécules sur le substrat au moyen de liaisons hydrogène entre les molécules. Les nouvelles monocouches fonctionnelles ont été caractérisées entre autres par spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS) ce qui a permis d’identifier les différents groupes moléculaires. Ces monocouches ont aussi montré leurs capacités à immobiliser une molécule biologique (Protéine A). / There is an increasing demand for biosensors to detect pathogens in environmental and medical fields. In this context, the control of the surface properties plays an important role. Self-Assembled Monolayers (SAMs) allow to functionalize these surfaces homogeneously and reproducible. SAMs on silicon based surfaces are usually obtained from silylated coupling agents with long alkyl chain. However, these compounds are often difficult to purify owing to their low solubility in organic solvents. That’s why we proposed to introduce a polar function (amide or urea) in the molecular structure. These precursors were also capable of association by H-bonds and offer possibilities to control the organic assembly on the surfaces. The new functional monolayers were characterized by Polarization Modulation Infrared Reflection Adsorption Spectroscopy (PM-IRRAS) and others techniques such as XPS and contact angle in order to identify the different molecular groups on the surface. These functionalized monolayers have also shown their ability to immobilize biomolecules (Protein A).

Abstract : The objectives of this work were to prepare and characterize films of benzylic amide macrocycles and rotaxanes obtained by functionalisation of an acidterminated self-assembled monolayer (SAM) on gold, and thus to probe the aptitude of these surfaces for applications in the field of the nanotechnologies. We initially studied the self-assembled monolayer of 11-mercaptoundecanoic acid and focused on its composition, structure and organization. We show that the molecules of alcanethiol are oriented with the acid group pointing out from the surface. The film is highly ordered with defect density below 0.2%. We investigated the functionalisation process with the covalently bound Mac-OH macrocycle, with the physisorbed Mac-pyridine macrocycle and with the naphtalimide rotaxane. The latter is also anchored to the SAM through a non-covalent interaction. We focused on the comprehension of both quantitative as qualitative characteristics of the films, such as the degree of functionalisation, their stability with respect to external constraints, their order and homogeneity, their structure and their orientation. By combining techniques such as X-ray photoemission spectroscopy, infrared reflection-absorption spectroscopy, atomic force microscopy, electrochemical and contact angle measurements, we demonstrated that the films of macrocycles reach a high degree of functionalisation. The layers are homogeneous and a preferential orientation of the macrocycle molecules with the plan of the ring tilted with respect to the surface and with the alkyl chains pointing-out from the films is observed. In addition, we studied the possibility of using the macrocycle films for molecular recognition, employing the Fc-Gly-Gly molecule as a model target. Through similar experiments and analysis, films of naphtalimide rotaxane were proven to give a good functionalisation of SAM. The molecule adsorbs with a preferential orientation of the linear axis parallel to the surface and the macrocycle unit normal to it. We characterized the fluorescent properties of the molecule due to the naphtalimide group and showed that when adsorbed on a gold substrate the presence of the self-assembled monolayer prevents total quenching. <br> Résumé : Les objectifs de ce travail étaient de caractériser des films de macrocycles et de rotaxanes de type amide benzylique obtenus par la fonctionnalisation de monocouches auto-assemblées d'alcanethiols, ayant un groupe acide terminal, sur une surface d'or, et ainsi de mettre en évidence certaines des potentialités de ces surfaces en vue d'applications éventuelles dans le domaine des nanotechnologies. Nous avons d'abord étudié la monocouche auto-assemblée de l'acide 11-mercaptoundecanoïque et particulièrement les aspects tels que la composition, la structure et l'organisation du film et nous avons mis en évidence que les molécules d'alcanethiol sont orientées dans le film avec le groupe acide vers l'extérieur de la surface, de façon à pouvoir interagir avec les molécules à greffer, et que le degré d'ordre de la monocouche est très élevé, en montrant celle-ci une fraction de défauts inférieure au 0.2% de l'aire totale du film. L'étude de la fonctionnalisation successive avec le macrocycle Mac-OH, lié de façon covalente, et le macrocycle Mac-pyridine ainsi que la rotaxane naphtalimide, ancrés à travers une interaction non-covalente à la monocouche auto-assemblée, a porté une attention particulière à la compréhension d'aspects tels que le degré de recouvrement de la surface, la stabilité vis-à-vis de contraintes externes, l'ordre et l'homogénéité, ainsi que la structure des films et l'orientation des molécules. Grâce à la combinaison de techniques telles que l'XPS, l'IRAS, les techniques électrochimiques, les mesures d'angle de contact et l'AFM, nous avons mis en évidence que les films de macrocycle atteignent un recouvrement élevé et homogène de la monocouche autoassemblée et qu'une orientation des molécules de macrocycle, avec une inclinaison du plan de l'anneau par rapport à la surface et pointant leurs chaînes alkyles vers l'extérieure du film, est observée. Ensuite, nous avons abordé la possibilité d'impliquer les films de macrocycle en tant que récepteurs moléculaires d'une molécule modèle, la Fc-Gly-Gly. Par une caractérisation similaire, les films de la rotaxane naphtalimide ont montré d'atteindre un recouvrement élevé de la surface de la monocouche avec une orientation privilégiée des molécules avec l'axe parallèle et le macrocycle perpendiculaire à la surface pour pouvoir interagir, à travers les fonctions pyridine du macrocycle, avec la monocouche. De plus, nous avons caractérisé les propriétés fluorescentes de la molécule, résidantes dans son groupe naphtalimide, lorsqu'elle est adsorbée sur un substrat métallique, l'or, affectées par la présence de la monocouche auto-assemblée.